灰色關(guān)聯(lián)法在徐州市小沿河水源地水質(zhì)評價中的應(yīng)用

李 倩 陳 穎 張小明

一、前言

小沿河水源地位于徐州市銅山區(qū)境內(nèi)，上至微山湖深湖區(qū)，下至湖西航道，全長15.5km，設(shè)計供水能力為20萬t/d，2014年改擴建工程完成后供水能力達(dá)到40萬t/d，是徐州市市區(qū)居民重要的地表水飲用水水源地，承擔(dān)著市區(qū)幾十萬人口的生活及工業(yè)用水。近年來，水源地安全問題日益突出，影響水質(zhì)的因素不斷增多且不斷變化，因而小沿河水源地是一個具有廣泛不確定性的系統(tǒng)，其中的不確定性具有灰色性。而基于灰色系統(tǒng)理論評價方法，體現(xiàn)了系統(tǒng)的不確定性，具有方法簡單、定量可比的優(yōu)點，在水質(zhì)評價中得到了廣泛應(yīng)用。本文采用灰色關(guān)聯(lián)法，對小沿河水源地水質(zhì)狀況進行評價分析。

二、灰色關(guān)聯(lián)法模型的建立與計算方法

1.灰色關(guān)聯(lián)法建模理論

灰色關(guān)聯(lián)是對一個系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢的定量描述和比較的方法。灰色關(guān)聯(lián)分析采用關(guān)聯(lián)度來量化系統(tǒng)內(nèi)各評價因素的相互聯(lián)系、相互影響和相互作用關(guān)系，它根據(jù)兩個因子參數(shù)序列構(gòu)成的空間曲線的接近程度判斷聯(lián)系的緊密程度，曲線越接近，相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度就越大，反之就越小。

2.確定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列和水質(zhì)樣本數(shù)列

將水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為參考數(shù)列{Yi（k）}，水質(zhì)監(jiān)測值作為比較數(shù)列{Xj（k）}。其中k表示評價因子，i表示水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)類別，j表示采用水源地資料的年數(shù)。則{Yi（k）}可演化為水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣Yin，{Xj（k）}可演化為水質(zhì)樣本矩陣Xjn。

3.無量綱化

無量綱化即采用某一指標(biāo)的實測值與各級標(biāo)準(zhǔn)值的平均值相比的方法，此法既可以達(dá)到無量化的目的，而且又反映了污染物的相對污染狀況。水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣Yin無量綱化后記為Uin，水質(zhì)樣本矩陣Xjn無量綱化后記為Vjn。

標(biāo)準(zhǔn)矩陣Yin無量綱化計算公式為：

樣本矩陣Xjn無量綱化計算公式為：

4.關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算

首先要計算出樣本序列和標(biāo)準(zhǔn)序列的絕對差Δij（k）。

再找出兩級最大差Δmax和兩級最小差 Δmin，Δmax為 Δij（k） 的最大值，Δmin為Δij（k）的最小值。計算關(guān)聯(lián)系數(shù)公式如下：

式中：ρ為分辨系數(shù)，取值介于0～1之間，通常取0.5。

5.權(quán)重的計算

計算權(quán)重的方法很多，本文采用以實測值和標(biāo)準(zhǔn)值雙重角度賦權(quán)法中污染貢獻(xiàn)率法中的超標(biāo)倍數(shù)法計算權(quán)重，權(quán)重Wj（k）計算公式為：

式中：Ij（k）為j年份水源地評價因子k的超標(biāo)倍數(shù)，是評價因子k的監(jiān)測值與標(biāo)準(zhǔn)濃度的比值；Xj（k）為j年份水源地評價因子k監(jiān)測濃度（mg/L）；Y（k）為評價因子 k標(biāo)準(zhǔn)濃度（mg/L）。

6.關(guān)聯(lián)度的計算

綜合各點（k=1，2，…，n）的關(guān)聯(lián)系數(shù)，得到比較數(shù)列{Vj（k）}與參考數(shù)列{Ui（k）}的關(guān)聯(lián)度γij為：

三、水源地水質(zhì)評價

1.評價資料、標(biāo)準(zhǔn)與因子選擇

本文采用2015年小沿河水源地水質(zhì)監(jiān)測資料年均值來評價分析現(xiàn)狀水質(zhì)狀況。采用2011～2015年小沿河水源地年水質(zhì)監(jiān)測資料年均值來評價分析污染趨勢。依據(jù)國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-20O2），選擇的評價因子為：高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、化學(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）和總磷（TP）。

2.矩陣的建立與無量綱化計算

水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y5×5以地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）中的I～V類五級水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)建立。水質(zhì)樣本矩陣X5×5以2011～2015年水源地高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、化學(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）和總磷（TP）的年平均值來建立。

根據(jù)公式（1）和（2）對水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y5×5和水質(zhì)樣本矩陣X5×5分別進行無量綱化計算，分別記為 U5×5和 V5×5。

3.計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

以2011年為例，通過公式（3）計算出算出樣本序列和標(biāo)準(zhǔn)序列的絕對差Δij（5），并找出兩級最大差Δmax和兩級最小差Δmin。

其中Δmax=0.019和Δmin=1.974。

根據(jù)公式（4）計算出關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ（ij5）。

4.計算關(guān)聯(lián)度并判定水質(zhì)類別

根據(jù)公式（5）和（6）計算出小沿河水源地的2011年數(shù)據(jù)樣本對各級別的關(guān)聯(lián)度為：γ1=0.784，γ2=0.845，γ3=0.900，γ4=0.611，γ5=0.421?？梢缘贸靓?最大，所以小沿河水源地的2011年水質(zhì)類別評價為Ⅲ類。

根據(jù)以上步驟，可以計算出剩余的4年水源地標(biāo)準(zhǔn)序列的關(guān)聯(lián)度，得到其水質(zhì)類別如表1。

表1 2011～2015年小沿河水源地水質(zhì)評價結(jié)果表

四、評價結(jié)果和討論

運用灰色關(guān)聯(lián)分析法對小沿河水源地水質(zhì)進行了定量準(zhǔn)確的評價，結(jié)果證明灰關(guān)聯(lián)分析法有其實用性。小沿河水源地所屬功能區(qū)為飲用水源保護區(qū)，水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類，根據(jù)評價結(jié)果，小沿河水源地現(xiàn)狀水質(zhì)為Ⅱ類，2011～2015年水質(zhì)屬于Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)，均能達(dá)到功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)。

根據(jù)評價結(jié)果可以看出，2011～2015年小沿河水源地有逐年變好的跡象，特別是2014年和2015年小沿河水源地水質(zhì)評價為Ⅱ類，較前幾年有了很大的提升。其主要原因是2013年以來，徐州市對小沿河水源地保護加大了投資，相繼實施了工程治理、生態(tài)防護等一系列措施，開展一、二級保護區(qū)范圍內(nèi)河道清淤疏浚、水系調(diào)整等工程建設(shè)，實施沿線村莊搬遷和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，開展水質(zhì)提升工程，在河道內(nèi)種植了10萬m2生態(tài)水草，布設(shè)了6600m2生態(tài)凈化懸床，安裝14臺太陽能生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)，全面開展小沿河水源地達(dá)標(biāo)工程建設(shè)，有效地提高了小沿河水源地的水體自凈能力。

雖然近幾年小沿河水源地的水質(zhì)得到了一定的改善，但是仍受到上級湖來水污染、農(nóng)業(yè)面源污染和水產(chǎn)養(yǎng)殖等問題的影響，高錳酸鹽指數(shù)長年在5.0～6.0之間，存在水源地安全隱患。因此，徐州市應(yīng)繼續(xù)加強小沿河飲用水原地的保護，加大污染防治力度，建立健全預(yù)警體系和應(yīng)急預(yù)案，從而進一步保障水源地的水質(zhì)安全■